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Gedacht, getan! Was die Hirnforschung möglich macht

Wissenschaftler entwickeln Techniken, mit denen sie entziffern können, was Menschen durch den Kopf geht. Durch bloßes Denken können wir bald womöglich Autos lenken, Computerspiele steuern oder Mails schreiben. Die technologische Revolution definiert das Verhältnis zwischen Mensch und Maschine ganz neu.

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Braindriver-Projekt

Es war eine ungewöhnliche Bewerbung, die Raul Rojas kürzlich in seiner E-Mail entdeckte. Ein Trucker aus den USA hatte dem Berliner Professor für Künstliche Intelligenz geschrieben. Der Mann klang verzweifelt: Jahrzehntelang habe er seinen Laster durch Schneestürme, Wüsten und Großstädte gelenkt, schrieb er. Doch seit einem schweren Unfall sei er gelähmt. „Deswegen wäre ich der ideale Kandidat, um Ihre Technologie auszuprobieren.“

Fahren mit Geisteskraft

Braindriver heißt dieses Projekt, das ein Team der Freien Universität Berlin um Rojas entwickelt und der Öffentlichkeit vorgestellt hat: ein Auto, das sich mit Gedanken steuern lässt. Dazu erfasst eine Sensorkappe mit 16 Elektroden die elektrischen Aktivitäten im Gehirn des Fahrers. Ein Computer übersetzt diese Hirnströme in Fahranweisungen – und der Wagen bremst, beschleunigt oder fährt nach rechts und links.

So ausgestattet lenkte der zu Rojas Team gehörende Informatiker Henrik Matzke den Testwagen mit Geisteskraft über den früheren Berliner Flughafen Tempelhof. Ein Video davon stellten die Forscher 2011 ins Netz. Mehr als 300 000-mal wurde es abgerufen; auch vom Trucker aus den USA. „Die Resonanz war überwältigend“, sagt Patrick Vogel, der die Finanzierung des Forschungsprojekts organisiert.

High Tech im Alltag
Alltag managen: Intuitiv und ohne Handbuch bedienbare Software auf dem Tablet-PC erleichtert die Kommunikation mit Freunden und ermöglicht die komfortable Steuerung der Wohnungselektronik - von Rollo bis zur Deckenlampe. Quelle: Javier Zarracina für WirtschaftsWoche
So spart man den Arztbesuch: Unsichtbar installierte Sensoren in Wänden, Spiegel und WC erledigen im Bad den morgendlichen Gesundheits-Check. Quelle: Javier Zarracina für WirtschaftsWoche
Gesundheit verbessern: Spielekonsolen mit Bewegungssensoren und Kameras ermöglichen im Wohnzimmer interaktive Bewegungs- und Konzentrationsspiele mit übers Internet verbundenen Freunden in vergleichbar ausgerüsteten Wohnungen. Quelle: Javier Zarracina für WirtschaftsWoche
Kontrolle zu Hause: Serviceroboter stellen zum Mittagessen nicht nur gegebenenfalls erforderliche Medikamente bereit, sondern kontrollieren auch deren Einnahme. Quelle: Javier Zarracina für WirtschaftsWoche
Risiko vermeiden: Ein schneller telemedizinischer Check der Gesundheit erspart bei Risikopatienten zeitraubende und kostenträchtige Arztbesuche. Quelle: Javier Zarracina für WirtschaftsWoche
Die Alleskönner: Der digitale Assistent im Tablet-PC vermittelt den Videoanruf zu Familienangehörigen oder die abendliche Abmeldung beim Hausservice, warnt vor offenen Türen und Fenstern und schaltet per Fingerstreich Gefahrenquellen wie den Herd stromlos. Quelle: Javier Zarracina für WirtschaftsWoche

Radikaler Technologiesprung

Vor allem aber beweist der Braindriver: Was lange Science-Fiction war, wird Realität. Wir stehen vor dem radikalsten Technologiesprung im Zusammenspiel von Mensch und Maschine seit Einführung der Computermaus. Nur mit Geisteskraft können wir in Zukunft Maschinen kontrollieren – ohne Tastatur, Joystick oder Sensoren, die Hand- oder Augenbewegungen aufzeichnen.

EU-Projekt Tobi: Steuerung per Gedanken

Computertomografie

Das Potenzial ist kaum zu überblicken. Womöglich surfen wir bald per Geistesblitz durchs Internet, verfassen E-Mails oder steuern Autos. Wo wir uns heute gerade daran gewöhnen, Computerspiele mit Gesten zu steuern, duellieren wir uns morgen mit virtuellen Gegnern – ohne noch einen Finger am Joystick zu krümmen. Und die Technik bietet erstmals schwerverletzten Unfallopfern die Chance, Rollstühle und Prothesen per Denkanstoß zu steuern.

Grundlagen der Telepathie

Um all das Realität werden zu lassen, arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, Gehirnströme zu entziffern, in computerlesbare Daten umzuwandeln und dann in Worte oder Taten zu übersetzen.

So haben sich etwa im Rahmen des EU-Projektes „Tobi“ mehrere europäische Universitäten und Forschungsinstitute – unter anderem aus Berlin, Heidelberg, Tübingen und Würzburg – zusammengetan. Ziel des bis 2013 laufenden und mit zwölf Millionen Euro geförderten Vorhabens ist, erste Anwendungen zur Steuerung von Geräten per Gedanken zu entwickeln. Das US-Militär steckt alleine 34,5 Millionen Dollar in die Entwicklung von gehirngesteuerten Prothesen und vier Millionen in ein Projekt, das die Grundlagen der Telepathie erforschen soll.

Mehr als ein Hirngespinst

So abgedreht sie klingen, es sind weit mehr als als Hirngespinste weltferner Forscher. Auch Unternehmen wittern bereits gute Geschäfte. Der IT-Konzern IBM hat Ende vergangenen Jahres erst die Entwicklung von Maschinen mit Gedankensteuerung zu einem der wichtigsten Trends der nächsten fünf Jahre erklärt. Auch der Chiphersteller Intel forscht bereits an entsprechenden Techniken. Und der US-Thinktank Techcast prophezeit im Laufe des nächsten Jahrzehnts gar einen 400-Milliarden-Dollar-Markt für Produkte, die auf Gehirn-Computer-Interaktion basieren.

Dass es so kommt, bezweifeln nur noch wenige Experten, wie eine Umfrage von Forschern um die holländische Psychologin Femke Nijboer von der Uni Twente in Enschede belegt. Sie befragten 145 Wissenschaftler verschiedener Disziplinen – darunter Computerexperten und Hirnforscher. Rund zwei Drittel erwarten, dass die ersten Maschinen mit Gedankensteuerung für Otto Normalverbraucher im Laufe der nächsten zehn Jahre marktreif sind.

Die dafür nötigen Verfahren werden immer besser. Schon heute gelingt es Wissenschaftlern, ansatzweise zu erkennen, über welche Worte, Bilder, Töne und Entscheidungen Versuchspersonen nachdenken.

Rechen- und Schreibhilfe

Einfache Sensorensets wie das 300-Dollar-Modell des kalifornischen Herstellers Emotiv aus dem Berliner Auto-Experiment genügen dafür allerdings nicht mehr. Ausgefeilter ist Intendix, ein ebenfalls mit Elektroden arbeitendes System des österreichischen Anbieters g.tec. Das 12 000 Dollar teure Paket aus Computer und Sensorkappe ermöglicht es Versuchspersonen bereits, mit Rechnerhilfe Symbole auszuwählen oder Texte zu schreiben. „Manche schaffen fünf Buchstaben pro Minute“, sagt g.tec-Entwickler Gunther Krausz.

Spurensuche im Kernspin-Tomografen

Gehirnaktivität Quelle: dapd

Einblicke ins Gehirn

Doch um wirklich zu verstehen, was die Menschen bewegt, reicht es den Forschern nicht, nur Hirnströme von außen abzugreifen. Sie müssen direkt verfolgen, welche Spuren das Denken im menschlichen Gehirn hinterlässt. Solche Einblicke ermöglichen Kernspin-Tomografen. Diese röhrenförmigen Geräte sind so groß wie Kleintransporter. Sie können Aufnahmen aus dem Körperinneren erzeugen, ähnlich schichtweisen Röntgenbildern. Zwei davon stehen in einem Backsteingebäude auf dem Gelände der Berliner Uniklinik Charité. Vor der runden Öffnung jedes Tomografen steht eine Liege, auf der Probanden in die Röhre geschoben werden. Sie erzeugt ein starkes Magnetfeld, das zwar für den Menschen ungefährlich ist, es aber dennoch erlaubt, genaue Bilder von der Struktur und der Aktivität des Denkapparates zu erzeugen. Bilder, auf denen das Gehirn aussieht wie eine flache walnussartige Scheibe mit bunten Flecken.

Die zeigen, welche Hirnareale gerade viel oder wenig Sauerstoff verbrauchen. Da bei denselben Gedanken ähnliche Muster entstehen, können Forscher im Lauf der Versuche immer besser erkennen, woran der Proband gerade denkt.

Gedankenlesen im Hirn-Scan

Sie sehen sogar, welche Entscheidung er treffen wird. Das hat John-Dylan Haynes in mehreren Experimenten gezeigt. Der renommierte Hirnforscher leitet das Berlin Center for Advanced Neuroimaging, in dem die Scanner stehen. In einem Experiment bat der Professor seine Probanden, sich eine Sportart vorzustellen. Ihre Hirnaktivität signalisierte, wofür sie sich entschieden hatten, noch bevor ihnen selbst der Entschluss bewusst wurde.

Auf ähnliche Weise konnten auch der Informatiker Tom Mitchell und der Psychologe Marcel Just erstaunliche Ergebnisse erzielen. Die Forscher von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh zeigten ihren Probanden acht verschiedene Bilder – etwa ein Flugzeug oder einen Lastwagen. Ein Tomograf registrierte derweil ihre Gehirnströme.

Schlaue Computer

Später konnte ein Computer anhand der Daten richtig ermitteln, welches Bild die Versuchspersonen angesehen hatten – unabhängig davon, welcher Proband gerade die Bilder betrachtete. „Das bedeutet, dass unsere Gehirne sehr ähnliche Denkmuster besitzen“, ist Tom Mitchell überzeugt. „Das war bisher völlig unklar.“

Hirnforscher und Psychologen kooperieren

Dylan Haynes

Sogar Bilder lassen sich ansatzweise rekonstruieren, wie ein Experiment von Forschern um den Psychologen und Hirnforscher Jack Gallant von der Universität Berkeley beweist. Sie zeigten den Probanden im Tomografen Videos und nahmen parallel die Aktivität in ihrem visuellen Cortex auf – jenem Teil des Gehirns, der für die visuelle Wahrnehmung zuständig ist. So lernte ihr Computer, welche Bilder welche Hirnaktivität auslösen. Anschließend schoben die Forscher die Probanden erneut in die Röhre und zeigten ihnen andere Filme. Wieder nahmen sie die Hirnaktivität auf. Dieses Mal verwandelte ein Computer die Daten in ein Video zurück.

Und tatsächlich: Dessen Bilder ähnelten dem Originalvideo. Wenn die Versuchspersonen darin etwa einen Menschen gesehen hatten, waren in dem computergenerierten Video ebenfalls Umrisse eines Gesichts zu erkennen. Ein Ergebnis, mit dem selbst Gallant nicht gerechnet hatte.

Inzwischen aber stoßen die Forscher mit derartigen Versuchsszenarien an ihre Grenzen. Um noch besser zu verstehen, worum die Gedanken ihrer Versuchspersonen kreisen, müssen sie deren Gehirne direkt anzapfen. Mithilfe sogenannter invasiver Verfahren erfassen sie die Gehirnströme mit Elektroden, die unter der Schädeldecke angebracht sind.

Hirnströme in Töne verwandeln

Das ist riskant, weshalb an den Experimenten nur Menschen teilnehmen, bei denen ein solcher Eingriff ohnehin bevorsteht – Epilepsie-Patienten beispielsweise. Ihnen pflanzen Ärzte vorübergehend Elektroden ins Gehirn ein, um herauszufinden, welche Regionen später operiert werden müssen.

15 solcher Patienten konnte ein Forscherteam um Brian Pasley von der Universität Berkeley kürzlich für eine Studie gewinnen. Der Wissenschaftler besuchte sie im Krankenhaus und spielte ihnen Wörter vor. Parallel dazu nahm er die Hirnströme auf. Ein Computer glich Begriffe und Hirnsignale ab. Dann gelang Pasley eine Sensation: Denn als er den Patienten erneut einzelne Wörter vorspielte, konnte der Computer ihre Hirnströme wieder zurück in Töne übersetzen und der Forscher in vielen Fällen erkennen, was die Probanden gehört hatten.

Ohne Umwege zum Gehirn

Hirnforschung Quelle: AP

Kommunizieren mit der Außenwelt

Wissenschaftler sind optimistisch, dass sich so in Zukunft auch gedachte Begriffe in Sprache oder Text übersetzen lassen. Menschen, die nicht mehr sprechen können, könnten dann wieder mit der Außenwelt kommunizieren.

Menschen wie Waltraud Faehnrich aus Hamburg zum Beispiel. Wenn sie mit ihrem Mann Joachim an der Alster unterwegs ist, muss er seine Frau im Rollstuhl schieben – denn sie kann sich nicht mehr bewegen. Er muss ihre Geschichte erzählen, denn sie kann auch nicht mehr sprechen, geschweige denn mit den Augen zwinkern. Die 67-Jährige leidet seit fünf Jahren an Amyotropher Lateralsklerose (ALS), an der auch der bekannte britische Physiker Stephen Hawking erkrankt ist.

Die Krankheit schädigt jene Nervenzellen, die für Muskelbewegungen verantwortlich sind. Doch während Hawking zumindest noch kommunizieren kann, indem er die Augen bewegt, ist die Rentnerin gänzlich in ihrem Körper gefangen. „Sie bekommt alles mit“, sagt ihr Mann, „wir müssten nur einen Weg finden, ihr Gehirn anzuzapfen.“

Signale werden zu Antworten

Schon ein Ja oder Nein zu erkennen würde beiden den Alltag enorm erleichtern. Monatelang haben Wissenschaftler von der Uni Tübingen deswegen mit Waltraud Faehnrich trainiert, mit Elektroden am Kopf Hirnströme abgeleitet und ihr Hunderte Ja-Nein-Fragen gestellt, um die Signale des Gehirns sauber den Antworten zuordnen zu können.

Forscher stehen vor Schwierigkeiten

Noch aber sind die Ergebnisse nicht gut genug, um daraus eindeutige Schlüsse zu ziehen. Doch das Ehepaar gibt nicht auf. Die beiden wollen anderen Betroffenen zeigen, dass es sich lohnt, mit ALS weiterzuleben. Und die Forscher suchen weiter nach Methoden, die Gedanken von Waltraud Faehnrich zu erkennen.

Der Fall zeigt das Potenzial, aber auch die Schwierigkeiten, vor denen die Forscher noch stehen. Über externe Elektrodenkappen lassen sich die Hirnimpulse oft nicht genau genug erfassen. Auch dem Berliner Forscher Rojas gelang es beispielsweise nicht, sein Versuchsauto selbst per Geisteskraft zu lenken, weshalb er das Steuer seinem Teamkollegen Matzke überließ: „Man braucht Geduld und muss sich sehr konzentrieren“, sagt Rojas, „und selbst dann kann es an banalen Dingen scheitern wie etwa einer trockenen Kopfhaut.“

Steinzeit des Gedankenlesens

Physiker Stephen Hawking Quelle: dapd

Mit den großen Tomografen wiederum lässt sich zwar die Hirnaktivität besser messen. Dafür aber sind die Röhren nicht alltagstauglich. Dazu kommt, dass Forscher riesige Datenmengen sammeln und aufwendige Algorithmen programmieren müssen, um die gewonnenen Informationen auswerten und vergleichen zu können. Und selbst das, was sie herausfinden, spiegelt noch immer nur holzschnittartig die schier unendliche Vielfalt der Gedankenwelt von uns Menschen wider.

Antworten auf Ja-Nein-Fragen

„Bisher können wir dem Gehirn nur präzise Antworten auf einfache Ja-Nein-Fragen entlocken“, sagt der Wissenschaftler John-Dylan Haynes vom Berlin Center for Advanced Neuroimaging. „Wir sind noch weit davon entfernt, Gedanken, Gefühle und Erinnerungen detailliert rekonstruieren zu können.“

Anders gesagt: Wir leben noch in der Steinzeit des Gedankenlesens. Aber Faustkeile und Beile haben die Forscher bereits im Einsatz. Die Revolution hat begonnen, die unser Leben verändert wie das Internet oder die Erfindung des Schießpulvers. Zum Guten, aber auch zum Schlechten.

Horrorszenarien

So befürchten Kritiker, dass Menschen in Lügendetektoren gezwungen werden könnten, Geheimnisse preiszugeben. Unternehmen könnten testen, welche Produkte in den Köpfen von Konsumenten Kaufreflexe auslösen, Versicherungen versuchen, Kunden Details über ihren Gesundheitszustand zu entlocken. Und Forscher der britischen Royal Society warnten kürzlich davor, dass sich bald womöglich sogar Waffen durch Gedankenkraft lenken lassen könnten.

Die US-Unternehmen Cephos und NoLieMRI bieten sogar bereits Lügendetektortests an, bei denen die Teilnehmer in Tomografen geschoben werden. Cephos wirbt damit, Test-Scans mit mehr als 250 Menschen durchgeführt zu haben – angeblich mit 97 Prozent Trefferquote. Ein US-Gericht in New York musste sogar schon über die Zulassung eines solchen Tests in einem Verfahren entscheiden. Der Richter lehnte den Einsatz ab: Ob ein Zeuge glaubwürdig sei, müsse die Jury entscheiden.

Gedankensteuerung für Rollstühle

Rollstuhl mit Lasersensoren.

Forscher Haynes in Berlin sieht den Einsatz von solchen Lügendetektoren kritisch: Es gebe noch kaum wissenschaftliche Standards und zu wenig Vergleichsdaten, die unter realen Bedingungen gewonnen wurden. Außerdem sei eine gesellschaftliche Debatte notwendig, um die ethischen Fragen zu beantworten, die die Gedankenerkennung aufwirft.

Mit der Kraft des Gehirns spielen

Das hindert Unternehmen nicht daran, bereits Produkte zu entwickeln, die die Technik nutzen. Spielzeughersteller Mattel etwa verkauft ein etwa 100 Euro teures Spiel namens Mindflex, in dem man eine Kugel angeblich „allein durch die Kraft seiner Gedanken“ durch einen Parcours bewegen kann. Es reiche, lediglich ein Headset aufsetzen und sich zu konzentrieren. Bei vielen Kunden allerdings fiel das Spiel durch, weil der Ball völlig zufällig agierte. Forscher Haynes wiederum zeigte in einem Test, dass sich die Kugel sogar bewegte, wenn das Headset auf einem angefeuchteten Styroporkopf klemmte.

Laser scannen Hindernisse

Deutlich besser funktioniert hingegen der Rollstuhl, den die Berliner Forscher um Raul Rojas nach dem Erfolg ihres Braindrive-Projektes entwickelt haben. Auch er lässt sich mit per Elektrodenkappe abgegriffenen Denkanstößen seines Benutzers steuern. Zusätzlich aber haben die Forscher an der Vorder- und Rückseite Laserscanner installiert, die Hindernisse orten können.

In Arbeit
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Wer in dem Rollstuhl sitzt, muss ihn also nicht mehr selbst um jede Wand herum lenken, sondern braucht im Kopf nur noch die Richtung vorzugeben.

Auf diese Weise kombinieren die Forscher quasi die Intelligenz der Maschine mit der ihres Nutzers – womöglich der beste Weg, damit der Gedankensteuerung bald der Durchbruch gelingt.

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